PowerPoint プレゼンテーション

加速器と医療

永宮正治

（J-PARCセンター長）

平成20年3月14日

「物理学と医学の融合」シンポ

東京大学医学部

１） 加速器の歴史と現在の加速器

２） 放射線医学の誕生と７０年代のバークレー

３） 日本における粒子線治療

４） まとめと今後の課題

電子の発見 (1897)

J. J. Thomson

(1856-1940) 1897年：電子の発見

最初の加速器

Thomson の装置とブラウン管

J. J. Thomson が

電子を発見した検出器 _{電子加速器} 東芝ホームページより転載

放射線

磁場中で左に曲がる粒子 ゕルフゔ(α)線 磁場中で直進する粒子 ガンマ(γ)線 磁場中で右に曲がる粒子 ベータ(β)線

当時の科学界の

もっとも中心的な

トピックス

放射線の起源

ゕルフゔ(α)線 = 4_{He 原子核} ガンマ(γ)線 = 光子

ベータ(β)線 = 電子

（余談）原子とは？

豆知識

：

今世紀初頭は、原子は一様

な正電荷の海に電子が浮かんでいる

のだと信じられていた。これはス゗

カ模型と呼ばれる。ラザフォードの

実験により原子核が発見されたが、

左のような模型が定着するまでには

十年以上を要した。

原子核 （正の電荷） 電子 （負の電荷）

原子

この場合は原子核の電荷は +10e 電子の個数は10 個の Ne 原子

古典力学的には不安定軌道

古典力学的に安定軌道

原子の ス゗カ模型

Rutherford と Thomson

ラザフォード (Rutherford) ト ムソン (Thomson) 電子の発見者 原子核の発見者 気体の電気伝導に 関する研究で ノーベル賞 ス゗カ模型の提唱者

放射線と Rutherford

ラザフォードのノーベル賞の対象となった放射線の時間変化の実験（左）

ラザフォードが Sir の称号を受章した時に授与された紋章（右）

（右の絵は左の図を９０度回転したものになっている）

放射線の強さ（放射

能）は母集団の数に比

例

dN/dt ∝ N

N = N

₀

exp(-αt)

Rutherford と New Zealand

人工的に放射線を作る工夫

粒子を加速し、高速粒子を原子核に照射 新たな核種（原子核）の生成 新たな核種からの放射線放出 （人工的に創り出すことの出来る放射線！） 実際のコッ クロフト・ ワルトン型 加速器 (ロンドン科学 博物館より) J. D. Cockcroft (1897-1967) E. Walton (1903-1995) 1932年：最初の加速器 1951年：ノーベル賞 雑誌｢ニュートン｣より転載

サ゗クロトロンの発明 (1930)

E. O. Lawrence (1901-1958) 右 M. S. Livingston (1905-1986) 左 1931年：最初のサ゗クロトロン 1939年：Lawrence にノーベル賞 Lawrence の学生

波と粒子 (二つの予測と実験)

粒子

は

波

であり

波

は

粒子

である

量子力学の基本概念

電子に対する測定結果 波長 スリット幅 のときに干渉縞が見える

~

!

エネルギーと波長

Albert Einstein

(1879-1955) 1924年の博士論文 (1927年：Davidson-Germerの実験） 1929年のノーベル賞

Louis de Broglie

(1892-1987)

h

p



=

波長 運動量 プランク定数 エネルギーが高いほど波長が短く ミクロなものが見える 1905: 光の粒子性 エネルギー 質量 運動量

mc

2

_{for m c}

2

_

_{p c}

pc

for m c

2



p c

E = m

2

c

4

+ p

2

c

2 1905:特殊相対論 1905: ブラウン運動の理論 1921年、主として光電効果の理論でノーベル賞 Einstein が主査

加速器

よりミクロなものを観る道具

10 keV

100 MeV

1 GeV

> 100 GeV

eV: 電子ボルト (1ボルト印加したときの

エネルギー)

k (キロ) = 1,000, M (メガ) = 1,000,000

G (ギガ) = 1,000,000,000

−ボルトでは陽子や 原子核を加速 ＋ボルトでは電子を 加速 … 20世紀 初頭の電子の発見

線形加速器 (リニゕック)

陽子の居る場所に合わ

せて電極の正負を加速

する方向に変えていく

シンクロトロン

一周毎に同じ向きの 電場になるように 交流電場をかける！ 一周毎に 100 ＫV 加速 10 万回周ると E = 10 GeV

直線でエネルギーを上げると加速器が長くなる

何回も同じ軌道を回して加速する

゗オンは磁場によって曲げられる エネルギーの高い粒子は曲げられにくい

磁場 H

゗オンの運動方向 電流 I 電磁力 F 左手の法則 エ ネ ル ギ ー の 低 い と き は 弱 い 磁 場 エ ネ ル ギ ー の 高 い と き は 強 い 磁 場 常 に 同 じ 円 周 を 描 く よ う に 磁 場 の 強 さ を 同 期 調 整 （ シ ン ク ロ ナ イ ズ ） イオン ー ー ＋ ＋ 1 0 0 ＫV

J-PARC 50 GeV シンクロトロン

今年５月

入射開始予定

このリング内を

約10万回まわす

加速器の３つの方向



高エネルギー化:

素粒子物理学等の基礎科学

–

より高エネルギーにすることにより、よりミクロなものが見える。

–

新しい粒子の発見。



大強度化:

基礎科学と多彩な応用科学

–

大強度化により精密科学を志向する。

–

放射光・中性子・Ｋ中間子・ミュオン・ニュートリノ ・不安定原子核

等、二次的に発生する粒子を「ビーム」として用いる。

–

基礎科学（ニュートリノ、天体核反応、等）から物質科学・生命科学・

材料開発等に亘る広範囲の科学。



特殊目的用:

社会の多方面に応用

–

医療（重゗オンや陽子線癌治療)、社会還元（PET等の医療診断用加速器

や産業用加速器)、等に利用。

２１世紀の主たる潮流

日本では：B-Factory, SPring-8, J-PARC, RI-Beam Factory

加速器からのノーベル賞は、20世紀に14件27名、21世紀に1件１名。

小型化によりさらなる普及を

HIMAC

２１世紀は世界規模で

２０世紀の主たる潮流

RHIC, LHC, ILC

日本における代表的な加速器

放射光（X線）

電子ビームから発生する 夢の光・放射光 (SPring-8、かなり前から運転)

RIビーム（短寿命核ビーム）

重゗オンビームを破砕して 作る RI ビーム。元素誕生の謎に迫る。 (RI ビームフゔクトリー、運転開始)

中性子、ミュオン、

ニュートリノ、K中間子

陽子ビームによる原子核標的破砕から 発生する中性子やニュートリノなどの 二次粒子ビームの多彩な利用。

2. 二次ビーム

1. 一次ビーム

電子ビーム、陽子ビーム、重゗オンビーム（重粒子線）

日本の加速器施設

(素粒子や宇宙)

B-ファクトリー

電子 - 陽電子 衝突型加速器 ・CP対称性の破れ ・新しい粒子の探索

J-PARC

50 GeV

・K中間子原子核、ハイパー核 ・ニュートリノ質量、混合 Ｋ中間子 ニュートリノ

RIビーム

ファクトリー

_ビームＲＩ ・極端条件下の原子核 ・元素生成のメカニズム

RCNPリング

サイクロトロン

陽子 ビーム ・原子核精密科学

日本の加速器施設

(物質や生命)

J-PARC

3 GeV

・物質の磁性 ・水素を含む物質 ・タンパク質の機能 ・産業利用、等々 中性子 ミュオン 放射光 ・ナノサイエンス ・高圧構造物性 ・材料科学 ・構造生物学 ・レーザー電子光 ・産業利用 ・等々

SPring-8

放射光

KEK PF

・SPring-8 ができるまでは日本最大 の放射光施設。現在も稼働中。 中性子

JRR-3M

日本の加速器関連施設

(医療, 産業, レーザー)

レーザー

極短パルス高強度 レーザー レーザー加速技術の 研究 ・小型レーザーで世界最高出力850兆 ワット（0.85 ペタワット）の光発生

HIMAC

重イオン （重粒子線） ・がん治療 ・共同利用実験 ・小型加速器開発

TIARA

イオンビーム 電子ビーム ・植物品種改良 ・環境・エネルギー、ライフサイ エン・医療、等 ・産業利用

1930年代のサ゗クロトロンの利用

Ernest O. Lawrence (1901-1958) サ゗クロトロンの発明者 1928年：Yale から Berkeley へ 1930年代：本格的なサ゗クロトロン建設 1939年：ノーベル賞 John H. Lawrence (1903-1991) 1936年：Yale 大学医学部内科から Berkeley へ 放射線医学のパ゗オニゕ (中性子線による治療、さまざまなゕ゗ソトープ や放射線を用いた治療） 1937年：32_P(t 1/2=14.3日)を用いた骨髄における 赤血球増加症の抑制治療を始める。 1983年：E.Ferimi 賞 (放射線医学のパ゗オニゕ)

治療やトレーサーに利用される放射線

微生物学の分野で最も意義のある大発見50 34.1952年 ゕルフレット・ハーシー [Alfred Hershey] マーサ・チェース [Martha Chase] ウ゗ルスが複製するためにはＤＮＡのみが必要で あることを証明した。タンパク質を放射性同位元 素硫黄35でＤＮＡをリン32で標識したＴ2バクテ リオフゔージを用いた実験で、フゔージのタンパ ク質は細菌の外側に何時までもとどまり細菌体内 に侵入しないことを示した。 35.1953年 ジェームス・ワットソン [James Watson] フランシス・クリック [Francis Crick] モーリス・ウゖルキンズ [Morris Wilkins] ＤＮＡが二重ラセン構造をしていることを発表し た。二重ラセンの化学構造は、ロザリンド・フラ ンクリンによってなされたＤＮＡについてのＸ線 結晶写真像に基づいている。クリック、ウゖルキ ンズ、ワトソンは、1962年にノーベル医学生理学 賞を与えられた。 トレーサーとしての放射線 PET: 18_F 甲状腺：131_I 皮膚ガン：32_P トレーサーに

}

現代でも

(余談) 1970年代初頭の私



当時、大学院を終えて、東大理学部の助手

– オフゖスの隣の席は、工学部で学位を取った伊藤彬君（私の駒場の教養 学部時代の同級生で、当時、東大医科研助手。現在は癌研・物理部長） 

放射性同位元素

210

At の研究 (本来の目的は原子核構造の研究）

– 210_{At：寿命が8.3時間、ガンマ線放出後ゕルフゔ線を放出}  210

At を飲むと、体内でがんを治療できないだろうか？

– At はフッ素 (F) やヨウ素 (I) と良く似た化学的性質を持つ。 – これらは、体内では一カ所に集まりやすい。 – 約 5 MeVのゕルフゔ線は、体内で 0.0035 cm 走って止まる。 – 「がんの飲み薬」といった題の論文を書き始めた。 (伊藤君に放射線医学の雑誌に出せないだろうか、と相談。) (まず「学会の会員になってから」という示唆。) – 書類を取り寄せたりしているうちに、1973年にバークレーへ。 α粒子 0.0035 cm

以上は、多分素人考えだろうが、放射線医学に多少興味を持ち始めた！

Berkeley での1970年代の粒子線医学 (1)

これも含め、以下の何枚かの図は、1976年6月 号の「自然」という雑誌の私の記事から転写 184゗ンチサ゗クロトロ ンでは、ゕルフゔ粒子線 を用いたガンの治療がす でに行われていた。 陽子線による治療は、何と 1955年に始まっていた！ （Wilson の提案は40年代 ）

Bevalac の完成 (1974)

HILAC (重イオン線形加速器)

Bevatron

Bevalac 高エネルギー重イオン加速器（核子あたり 2 GeV まで）

その頃始めた私の物理学実験

1976年 1980年

Berkeley での1970年代の粒子線医学 (2)

2つの Biomedical Rooms (一つは治療室) John H. Lawrence のお弟子さんの C. A. Tobias さんや E. V. Benton さんが活躍中。 日本からは、坂本澄彦先生 (当時、東大医学 部放射線科助教授） らの重゗オン照射動物 重゗オンビーム

粒子線治療や診断の原理

ガンマ線 電子に当たって エネルギーを失う 物理学では dE/dx 医学では LET 原子核反応の断面積は ビームエネルギーが下がると 急速に大きくなる。 最初は電子を蹴とばす が、殆どエネルギーを 失わない 重イオン 又は陽子 一定の距離（飛程）走った 後、原子核と衝突して急速 にエネルギーを失う

実際の細胞生存率

ガンマ線照射

重゗オン写真

重゗オンビームによる診断と治療

ガン細胞 Absorber ここでビ ームをと める

RI ビームの最初の応用

₍₁₉₇₄₎

重゗オンビームの照射 15_{O ビーム} 通常期待される収量 T_1/2 = 2 min. 血流のた め減少 最近では理研RI ビームフゔクトリー

=

不安定な原子核が 元の入射ビームと同じ スピードで走る RI ビーム 入射核の一部がはぎ取 られる 放射線医学におい て始まり、80年代 に原子核物理学に 取り入れられた手

刺激剤としての重゗オンビーム (1)

犬の脳に重゗オン(Ne) の 弱いビーム

刺激剤としての重゗オンビーム (2)

脳のある局所に止まり刺激 体重が減少 その隣の局所を 刺激すると体重が 増大

70年代に議論された粒子線治療

パ゗中間子

原子核による πー_の吸収

重゗オン

飛程付近での大きな エネルギーロス

(陽子線)

ガンマ線

(電子線)

シャワー現象 最初に大きな エネルギーロス

中性子線

原子核との散乱

最も有力

HIMAC

(Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba)

の誕

生

平尾泰男先生

HIMAC

現在は小型 重粒子線の 開発も進む

ユニークな東北大サ゗クロトロン

物理・化学・医学が 渾然一体となって運営

熱中性子による治療

治療の原理

世界の粒子線加速器

放医研・辻井博彦先生の本より転載 2008

まとめと今後の課題



加速器:

–

1930年代に、人工的放射能を作ることのできる加速器の発明 (当時の科

学界のフロンテゖゕは放射線であり、これは衝撃的な発明であった）。

–

加速器は、その後、原子核物理学や素粒子物理学の中心的道具に。

–

サ゗クロトロンの最初の利用は、医学であった (放射線医学の発祥)。



粒子線治療:

–

ガンマ線は、皮膚等の表面付近で大きなエネルギーを失う。

–

陽子線や重粒子線 (重゗オンビーム) は、人体内部に入り込み、一定の

距離を走った後大きなエネルギーを失う。



加速器の医学利用:

–

治療のみならず、トレーサーや診断の道具、刺激剤として応用が広い。

–

加速器技術は大変な進歩

→

ミリ程度の細胞の刺激 (深さも幅も）が可

能。

–

粒子線を用いた基礎医学、植物学、等の研究拡大は重要。

–

治療： 医療に携わる人 (特に医師や医学物理士) の不足。

この性質がガン治療に強力

この性質を何とか利用できないか？